Kunstheupen

Inleiding Tijdens ons onderzoek naar chirurgische stalen kwamen wij via de orthopedie op een veel interessanter onderwerp. De kunstheup. De kunstheup is namelijk het meest voorkomende implantaat die geplaatst wordt na diverse fracturen aan de heup. In Nederland worden jaarlijks meer dan 15.000 kunstheupen geplaatst. Een totale heupartroplastiek, waarbij de gehele heup wordt vervangen door een kunstmatige, werkt zeer effectief tegen pijn. Patiënten kunnen weer nagenoeg normaal functioneren en worden weer onafhankelijk van anderen (zoals therapeuten); ze hebben daardoor minder kostbare verzorging nodig waardoor deze operatie economisch gezien kosteneffectief is. Genoeg redenen om te verslaan over de kunstheup.

Fractuur Een gebroken heup is een serieus gezondheidsprobleem, vooral omdat het vaak bejaarden overkomt die vervelend vallen. In de Verenigde Staten (bron: UCLA) worden er jaarlijks meer dan 320.000 mensen opgenomen wegens een gebroken heup. Slechts 1 op de 4 van die patiënten geneest volledig. De verklaring hiervoor is het feit dat oudere mensen - waar het immers het meest bij voorkomt – vaak al andere gezondheidsproblemen hebben en hun conditie laag is. Voor goed begrip is het nodig om even kort de heup uit te leggen. Het heupgewricht wordt gevormd door de heupkom (acetabulum) en de heup- of femurkop (caput femoris) De heupkom is een onderdeel van het bekken en de heupkop maakt deel uit van het dijbeen (femur). De heupkop is via een nek (collum) verbonden met het dijbeen. Het heupgewricht vormt de kritieke schakel tussen het bekken en het bovenbeen. Voor de verduidelijking is een illustratie van de linkerkant van de heup bijgevoegd. Wanneer men valt of op andere wijze een fractuur aan de heup oploopt (een veel voorkomende oorzaken zijn ook verkeersongelukken) bestaan er grofweg 3 types breuken: 1. Dijbeenhals-breuk (collum-fractuur): deze ligt in het gebied van de hals net iets van de heupkop af. Deze breuken liggen binnen het heupkapsel, hierdoor kan de bloedvoorziening naar de afgebroken kop in gevaar komen met afsterven (heupkopnecrose) als gevolg (zie illustratie). 2. Breuken in de verstevigingen van de heup (pertrochantere fracturen): deze zijn vaak minder stabiel en stevig. 3. Breuken direct onder de verstevigingen (subtrochantere fracturen): deze zijn wat zeldzamer en komen vaker voor bij ziektes die de sterkte van het bot hebben aangetast zoals Reuma.

Kunstheupen Er zijn twee typen heupprothesen te onderscheiden, dat komt doordat de prothese op twee manieren kan worden bevestigd. Deze manieren zijn de zogenaamde gecementeerde en de ongecementeerde totale heupartroplastieken. Zodoende zijn er ook twee typen kunstheupen. Een gecementeerde kunstheup vervangt de versleten heupkop en daarbij worden eventuele resten van kraakbeen uit de kom gefreesd. In de uitgefreesde kom wordt een kom van kunststof (polyethyleen) geplaatst en de versleten heupkop wordt vervangen door een metalen kop, meestal een metaalmengsel van chroom-kobalt-nikkel, die met een steel in het bovenbeen wordt geplaatst. Zowel de kom als de steel worden met botcement (polymethylmetacrylaat) aan het bot verankerd. Bij de ongecementeerde totale heupartroplastiek worden kom en kop-met-steel niet met cement vastgezet, maar worden ze zo vast mogelijk in het bot ingeklemd. Bij de ongecementeerde kunstheup is de kom van kunststof aan de achterzijde in de regel bedekt met titanium. De steel die in het bovenbeen wordt geplaatst, is ook van titanium. De kop is ook hier meestal een samenstelling van chroom, kobalt en nikkel. De buitenzijde van de steel, die in het bovenbeen wordt geplaatst, en van de kom is bedekt met een laagje hydroxy appetit waar het bot in kan groeien. Hierdoor kan de nieuwe heup nog vaster komen te zitten. Tegenwoordig bestaan er ook resorbeerbare implantaten, zoals die van polylactaat, een polymeer van het lichaamseigen melkzuurmolecuul. Ook zijn er materialen van tricalciumfosfaat of van de bouwstof van natuurlijke botten en tanden: hydroxylapatiet. Deze materialen kunnen een tijdelijke brug vormen tussen twee botdelen die aaneen moeten groeien. Het is de bedoeling dat het materiaal resorbeert, daarom is het belangrijk dat het materiaal het botweefsel een kans biedt om in te groeien.

Grondstoffen

Polyethyleen (polyetheen) Voor de kunstheup van polyethyleen is de grondstof ethyleen nodig, die verkregen wordt door het kraken van Nafta of LPG (bijvoorbeeld bij DOW in Terneuzen). Iedere kraker beschikt over een groep kraakfornuizen waarin zich pijpenbundels bevinden. Nafta of LPG stromen, gemengd met stoom door deze bundels en worden bij de hoge temperatuur van rond de 800 graden Celsius in verschillende gassen omgezet. In warmtewisselaars worden deze gassen vervolgens zeer snel afgekoeld. Dat gebeurt door met deze gassen water om te zetten in hoge druk stoom en door er koude olie in te spuiten. Dit is nodig om ongewenste nevenreacties te voorkomen. Het zo verkregen ethyleen wordt met een vrij simpele polymerisatiereactie aan elkaar geregen. De dubbele band tussen de 2 C-atomen breekt open tijdens een initiatiereactie en het zo ontstane ethaanradicaal hecht zich maar al te makkelijk aan een gelijksoortig molecuul. Zo ontstaan lange ketens van C-atomen.

Polylactaat Melkzuur is een normaal bestanddeel in onze stofwisseling. Melkzuur kan in ketens aan elkaar verbonden worden (dan worden het: poly-melkzuur-esters of polylactaatesters). Deze verbindingen worden sinds tientallen jaren gebruikt om verteerbaar hechtingsdraad van te maken. Sinds enkele jaren is een stijvere vorm in gebruik voor verteerbare pinnen, plaatjes en schroefjes voor breukbehandeling. Wanneer de stof in het lichaam is, komt het melkzuur geleidelijk vrij uit de ketens en wordt in de stofwisseling opgenomen. Omdat het materiaal door het lichaam zelf afgebroken kan worden, is het uitermate geschikt voor implantaten. Wanneer de fractuur genezen is, hoeft men de implantaten niet meer operatief te verwijderen.

Polymethylmetacrylaat Bij het maken van polymethylmetacrylaat wordt geen oplosmiddel gebruikt. Een initiator brengt de polymerisatie op gang. Wanneer het polymeer hardt, moet het al in de gewenste vorm gegoten zijn. Belangrijk is, dat de temperatuur overal gelijk is binnen het reactiemengsel. Anders ontstaan er gasbelletjes, omdat de warmtegeleiding slecht is. Dat polymethylmetacrylaat gebruikt wordt als hechtmiddel is lastig te verklaren. Tijdens de polymeervorming worden de monomeren om en om geplaatst in willekeurige volgorde. De estertak van het monomeer bevat een vrij negatieve dubbel gebonden O. Deze O zou een rol kunnen spelen bij het hechten. Door zijn polariteit zouden er mogelijk ionaire bindingen kunnen ontstaan, waarbij de laag polymethylmetacrylaat aan onder en boven zijde de zaak bij elkaar houdt. Een andere verklaring is het openbreken van de dubbele band bij het O atoom, waardoor een ongebonden elektronenpaar onstaat op de O en zodoende kan een groep van de te hechten stof daar een binding aangaan. Bij de polymerisatie van lactaat worden H-bruggen gevormd waardoor het polymeer een behoorlijke stevigheid krijgt. Zodoende is de om-en-om configuratie het meest gunstig en het polymeer zal dan ook alleen in deze configuratie gevonden worden. Als in dit polymeer in het lichaam wordt ingebracht dan zullen de cellen die in contact komen met het polymeer via enzymen de binding die door de radicalen is gevormd afbreken en zodoende weer lactaat terug te winnen. Dit is een langzaam proces, doordat niet alleen de binding tussen de c atomen sterk is maar omdat ook de H-bruggen en de 2 stabiele 7 ringen (door de H-bruggen sluitend gemaakt) de zaak bij elkaar houdt. Hierdoor heeft het bot genoeg tijd om te helen en ver na de tijd dat de fractuur is dicht gegroeid begint de afbraak naar lactaat moleculen, welke in de citroenzuurcyclus verdwijnen. Het komt zelden voor dat de polylactaat al is afgebroken terwijl de fractuur nog niet geheeld is.

Titanium Symbool: Ti
Atoom nummer: 22
Massa: 47,867 u
Smelt punt: 1660,0 °C
Kook punt: 3287,0 °C
Aantal elektronen: 22
Aantal neutronen: 26
Kleur: zilverachtig

Titanium is goed bestand tegen oxidatiereacties en zal dus niet snel verweren. Een andere handige eigenschap van Titanium is dat het zeer goed bestand is tegen allerlei zuren en vooral organische zuren. Titanium wordt dus niet aangetast door de lichaamseigen zuren. Tevens is titanium bestand tegen zouten en tegen water. Waar je wel mee moet oppassen is ethanol, maar het contact met ethanol in botten is bijna uitgesloten en in een waterige oplossing (zoals bloed) is titanium wel weer goed bestand tegen ethanol. Aan de buitenkant van het titanium vormt zich van nature een oxide laagje waardoor (zoals eerder genoemd) het zeer erosie bestand is. Zelfs wel 5 keer zoveel als de koper-nikkel alliage. Een andere zeer fijne eigenschap van Titanium is de zeer hoge sterktegewicht ratio. Om een gemiddeld stukje Titanium te laten breken heb je 172 MPa nodig, terwijl de dichtheid gemiddeld rond de 4,6 g/cm3 hangt. Als laatste eigenschap van titanium is dat het niet magnetisch te krijgen is en zodoende ook geen magnetische velden in het lichaam kan creëren of beïnvloeden.

Kobalt en nikkel Symbool: CoAtoomnummer: 27Massa: 58,9332 uSmelt punt: 1768 °CKook punt: 3200 °CAantal elektronen : 27Aantal neutronen : 32Kleur: zilverachtig Symbool: NiAtoom nummer: 28Massa: 58 uSmelt punt: 1768 °CKook punt: 3200 °CAantal elektronen : 28Aantal neutronen : 30Kleur: zilverachtig
Ook kobalt en nikkel hebben de handige eigenschap dat ze bestand zijn tegen oxidatie- en corrosiereacties. Andere voordelen zijn de lage dichtheid en sterkte, waardoor het beter is dan bijvoorbeeld goud. Wel is het zo dat beide erg makkelijk te magnetiseren zijn. Bij het implanteren is dan ook belangrijk dat men gereedschap gebruikt van eenzelfde legering als het implantaat, dit om elektrolytische effecten te voorkomen! Toch blijkt het zo te zijn, dat de positieve eigenschappen opwegen tegen dit nadeel. Uiteraard moeten we daarbij ook in beschouwing nemen dat deze twee metalen vrij goedkoop te winnen zijn.

Nawoord Na dit literatuuronderzoek zijn wij tot de volgende conclusies gekomen. Een kunstheup bestaat uit veel onderdelen. Die onderdelen bestaan weer uit verschillende materialen, deze materialen moeten allemaal aan een flink aantal eisen voldoen. Het materiaal mag uiteraard geen reacties geven met het lichaam, ook moeten de materialen niet te duur zijn, niet te zwaar, redelijk slijtvast en sterk. Als je deze punten bij elkaar optelt, kom je tot de conclusie dat de kunstheup een zeer complex geheel is.

Bronvermelding - http://me.mit.edu/2.01/Taxonomy/html/Materials.html - http://users.skynet.be/sky86228/4.htm - Winkler Prins Encyclopedie, Winkler Prins, 1987. - CRC chemical and Physical handbook. - Binas tabellenboek.